Proposição de equações para estimativa da fração de vazios inicial e do coeficiente de amortecimento através da elaboração do método da cavitação com vazios e amortecimento de onda

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Paiva, Bruno Araújo
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)
Texto Completo: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/74117
Resumo: PAIVA, B.A. Proposição de equações para estimativa da fração de vazios inicial e do coeficiente de amortecimento através da elaboração do método da cavitação com vazios e amortecimento de onda. 2023. 187f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
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spelling Proposição de equações para estimativa da fração de vazios inicial e do coeficiente de amortecimento através da elaboração do método da cavitação com vazios e amortecimento de ondaProposition of equations to estimate the fraction of voids initial and the damping coefficient through the development of the cavitation method with voids and wave dampingFração de VazioCoeficiente de AmortecimentoCavitaçãoTransiente HidráulicoPAIVA, B.A. Proposição de equações para estimativa da fração de vazios inicial e do coeficiente de amortecimento através da elaboração do método da cavitação com vazios e amortecimento de onda. 2023. 187f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.Pipelines are responsible for transporting water in supply systems and can suffer damage due to cavitation, resulting in a higher pressure peak than predicted by models without cavitation. Ignoring cavitation in transient analysis can lead to rupture of the piping due to improper use of devices to mitigate the impact. Therefore, it is recommended to consider side effects such as transient cavitation, column separation and energy dissipation, when computationally modeling these systems. The purpose of this work was to propose an equation for the initial void fraction of water and an equation for the damping coefficient of the pressure wave, through computational modeling of the cavitation resulting from transient in water mains. For this, a methodology was developed, called the Cavitation Method with Voids and Wave Damping (CMVWD). She incorporates the parameters: gaseous cavitation with variable celerity, variable friction factor, consideration of voids and thermodynamic processes within the pipeline. From CMVWD, from the Vaschy-Buckingham theorem and statistical analysis, the following equations for the initial void fraction in water and the damping coefficient. This job used three models to carry out the computational modeling of the water hammer: the Model 1, composed only by the method of characteristics (MOC); Model 2, using the MOC, including the Discrete Gas Cavity Model (DGCM); and Model 3 is CMVWD. They were simulations were performed for 12 different cases and the generated results were compared with the experimental data. For the analysis of results, statistical evaluation was used through of the EQM and NSE metrics. In the results, eight chart patterns and three table patterns that repeat for each case. After analyzing the 12 cases, the propositions of the equations of the Fraction of the initial Void of water and of the coefficient of K-wave damping. In general, the results obtained from Model 3 were presented closer to the experimental data, compared to the other models. The fraction change of initial void denoted that the smaller the value of this variable, the shorter the pressure wave length, resulting in an increase in the number of peaks. It was found also that the K parameter is directly proportional to the damping of the pressure wave. It was noticed that the initial void fraction and damping coefficient equations play a crucial role in the analysis of cavitating flows, as it is essential to designers the use of methods and models capable of predicting the amount of voids in the system and the overpressure resulting from collapsing column separation. This research sought to fill an existing gap in the determination of the void fraction for the initial state and in the wave dampening. As a conclusion, the new proposed equations, together with the method and model developed, are highly recommended for application in systems real water supply, starting with the mains in a macro system distribution. These tools have the potential to improve the predictability of the behavior of transient phenomena in these systems.Adutoras são responsáveis pelo transporte de água em sistemas de abastecimento e podem sofrer danos devido à cavitação, resultando em um pico de pressão maior do que o previsto por modelos sem cavitação. Ignorar a cavitação em análises transitórias pode levar à ruptura da tubulação devido ao uso inadequado de dispositivos para mitigar o impacto. Portanto, recomenda-se considerar os efeitos colaterais, como cavitação transitória, separação de coluna e dissipação de energia, ao modelar computacionalmente esses sistemas. O objetivo deste trabalho foi propor uma equação da fração de vazio inicial de água e uma equação para o coeficiente de amortecimento da onda de pressão, mediante modelagem computacional da cavitação resultante do transiente em adutoras. Para isso, foi desenvolvido uma metodologia, denominada de Método da Cavitação com Vazios e Amortecimento de Ondas (CMVWD). Ela incorpora os parâmetros: cavitação gasosa com celeridade variável, fator de atrito variável, consideração dos vazios e processo termodinâmico dentro da tubulação. A partir da CMVWD, do teorema de Vaschy-Buckingham e da análise estatística, foram também desenvolvidas as equações da fração de vazio inicial na água e do coeficiente de amortecimento. Este trabalho utilizou três modelos para a realização da modelagem computacional do golpe de aríete: o Modelo 1, composto apenas pelo método das características (MOC); o Modelo 2, utilizando o MOC, incluindo o Discrete Gas Cavity Model (DGCM); e o Modelo 3 é o CMVWD. Foram realizadas simulações para 12 casos diferentes e os resultados gerados foram comparados com os dados experimentais. Utilizou-se, para a análise dos resultados, a avaliação estatística através das métricas EQM e NSE. Nos resultados foram apresentados oito padrões de gráficos e três padrões de tabelas que se repetem para cada caso. Após a análise dos 12 casos, foram realizadas as proposições das equações da Fração do Vazio inicial de água e do coeficiente de amortecimento de onda K. De modo geral, os resultados obtidos do Modelo 3 se apresentaram mais próximos aos dados experimentais, comparado aos demaisModelos. A variação da fração de vazio inicial denotou que quanto menor o valor desta variável, mais curto será o comprimento da onda de pressão, resultando em aumento no número de picos. Constatou-se também que o parâmetro K é diretamente proporcional ao amortecimento da onda de pressão. Percebeu-se que as equações da fração de vazio inicial e do coeficiente de amortecimento desempenham um papel crucial na análise de fluxos cavitantes, uma vez que é essencial para os projetistas a utilização de métodos e modelos capazes de prever a quantidade de vazios no sistema e a sobrepressão resultante do colapso da separação de coluna. Essa pesquisa buscou preencher uma lacuna existente na determinação da fração de vazio para o estado inicial e no amortecimento das ondas. Como conclusão, as novas equações propostas, juntamente com o método e modelo desenvolvidos, são altamente recomendados para a aplicação em sistemas reais de abastecimento de água, começando pelas adutoras em um sistema de macro distribuição. Essas ferramentas têm o potencial de aprimorar a capacidade de previsão do comportamento dos fenômenos transitórios nesses sistemas.Castro, Marco Aurélio Holanda deBarbosa, João Marcelo CostaPaiva, Bruno Araújo2023-08-24T13:12:37Z2023-08-24T13:12:37Z2023-07-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfPAIVA, B.A. Proposição de equações para estimativa da fração de vazios inicial e do coeficiente de amortecimento através da elaboração do método da cavitação com vazios e amortecimento de onda. 2023. 187f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil - Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/74117porreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2023-08-24T13:12:37Zoai:repositorio.ufc.br:riufc/74117Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2024-09-11T18:42:22.503992Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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